NGHIÊN CỨU CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HOÀ VÀ GEOSLOPE (GS NGUYỄN CÔNG MẪN)

1. Khái quát v̉ phân bố đất xây dựng ở VN và môi tr−ờng đất không bão hoà 2. Một số khái niệm cơ bản v̉ Cơ học đất không bão hoà 3. Một số tính năng cơ bản của GEOSLOPE OFFICE V.5 và cách sử dụng 4. Một số ứng dụng công trình của CƠ HỌC ĐẤT KHÔNG BÃO HÒA

khái niệm về cơ học đất không bão hoà

và geo-slope v.5

G.S Nguyễn Công Mẫn

1 Khái quát về phân bố đất xây dựng ở VN và môi

trường đất không bão hoà

2 Một số khái niệm cơ bản về Cơ học đất không

bão hoà

3 Một số tính năng cơ bản của GEO-SLOPE

OFFICE V.5

4 Một số ứng dụng công trình của CHĐ KBH

• Những loại đất này thường gây ra nhiều sự cố công trình do không có kiến thức cần thiết và công nghệ địa

kỹ thuật thích hợp để nhận biết và

sử lý chúng;

• Chú ý các khối đất có tầng KBH

Khái quát về đất xây dựng ở VN

• ĐB S Hồng, Cửu Long, ven biển

M Trung : Đất vùng trũng, phần lớn

là trầm tích mềm yếu;

• Vùng núi thấp phía Bắc, đặc biệt

vùng cao nguyên M Trung: Chủ yếu tàn tích laterit

• Có thể còn có: đất rửa - xói , đất trương nở ven biển M.Trung, đất mặn dọc theo bờ biển

Khái niệm về hệ đất bão hoà/không bãohoà

LT Chiều cao đới BH MD

Sơ đồ hạt đất Bán kính mặt khum

0,0002 cm 0,002 cm

0,02 cm

Theo thí nghiệm

Độ cao dâng mao dẫn ứng với các

đường kính mặt khum khác nhau (Janssen & Dempsey, 1980)

Khô: u = 0

Bão hoà MD: u < 0 Bão hoà: u > 0

+u -u

u = γ w .h w

+h

-h

(1) (2) (3) (4)

§Êt b·o hoµ(BH)

• §Êt b·o hoµ chØ

§Êt kh«ng b·o hoµ (KBH)

• §Êt kh«ng b·o hoµ chøa h¹t r¾n, khÝ vµ n−íc:

m«i tr−êng 3 pha;

• Lç rçng chøa c¶ khÝ vµ n−íc;

Theo S Lee Barbour, §H Saskatchewan

S - §é b·o hoµ ; Sr - §é b·o hoµ khi cã bät khÝ kÝn

ảnh hưởng của pha khí

- Khi ở trạng thái không bão hoà, đất là một hệ 4

pha: hạt đất, nước, khí và mặt ngoài căng, đồng

thời tồn tại trong lỗ rỗng của đất;

- Sự tồn tại của bọt khí làm giảm tính thấm của đất

⇒ bọt khí càng nhiều, lượng chứa nước càng ít, thì tính thấm càng nhỏ và ngược lại;

- Mặt ngoài căng tại mặt phân cách khí - nước tạo nên lực hút giữa các hạt đất, gọi là lực hút dính ( matric suction ) hay áp lực lỗ rỗng âm

Minh chứng tồn tại của mặt ngoài căng và sơ

đồ các lực mao dẫn tác dụng lên ống mao dẫn

Nhờ có lực căng bề mặt, nhện nước không tụt vào nước, bọ bơi ngửa không bật khỏi mặt nước

a

R

T u

u ư = 2

không khí

Ts Ts

ống thuỷ tinh mao dẫn nước

Dr S.L (Lee) Barbour

- Professor – University of

Saskatchewan, Department of Civil

Engineering

- Expert modeller in

saturated-unsaturated flow systems

- Winner of university teaching awards

- Associated with GEO-SLOPE for many

years

uw(A) = uw(B) = 0

(-)

(+)

MÆt n−íc

a matric

R

T

2 u

= σ

b matric

thoáng - dọc theo đó, AL lỗ rỗng = AL khí quyển SF

chủ yêú gây ra bởi gradien TL trọng lực;

• Unsaturated Flow ( UF ): Dòng chảy trong MT rỗng

tại vùng có AL lỗ rỗng âm phía trên đường mặt

thoáng UF chủ yếu gây ra bởi gradien TL do độ

chênh sức căng bề mặt;

• AL lỗ rỗng ( ALLR ): AL nước trong các lỗ rỗng liên

thông thuộc vật liệu thân hay nền CT và bao gồm :

AL nước LR dương tạo ra do trọng lực và AL LR âm

( Matric Suction ) tạo ra bởi sức căng bề mặt

Đường cong đặc trưng Nước - Đất

Độ ẩm dư hay độ bão hoà dư: độ bão hoà thấp nhất khi nước

- Air-entry value (AEV)

that a soil experiences when

the largest pores begin to

drain and air enters the soil.

pore size in a soil.

distribution within a soil.

SWCC: Air Entry Value

u w (u a -u w ) = matric suction

Lee Barbour England – May 2003

• The shape of the soil-water characteristic curve

is a function of the pore-size distribution

Relative prediction of features

Đường cong đặc trưng Nước - Đất và Hàm thấm

• Đường cong đặc trưng Đất - Nước (SWCC)

- Mô tả lượng chứa nước trong đất theo lực hút dính

- Dạng đường cong có quan hệ với độ lớn và phân

- Dự tính từ đường cong SWCC và biểu thức GT;

- Đo bằng buồng áp lực ( TEMPE - Soil moisture

Equip Corp.in Santa Barbara, Calif.USA )

Hàm thấm

SEEP/W 5 ⇒ PP Green & Corey, Fredlund & Xing

Có thể dự tính hàm thấm

từ đường cong nước - đất

Đất bão hoà

Lee Barbour England – May 2003

thể thoát ra hoặc đi

vào mấu đất tuỳ

thuộc AS Khi tăng áp

2 PP: trực tiếp và gián tiếp Sơ đồ buồng áp lực Tempe (Soil -moisture Equipment

Corporation, 1985 ) dùng để lập đường cong Nước - Đất, từ đó suy ra đường cong

thấm theo PP gián tiếp Tham khảo CHĐ KBH tập 1 trang 173-218

Buồng áp lực Tempe (Soil-moisture Equipment Corporation, 1985 )

mẫu đất

Buồng áp lực

Đĩa gốm sốp

( ≈ màng bán thấm ) ống cho khí vào

ống cho nước vào/ra

Th− viÖn hµm thÊm trong SEEP/W.5

Cã 24 hµm thÊm trong Phô lôc A ®−îc suy tõ Green & Corey

Fredlund & Xing vµ Van Genuchten

C¸t bôi – Silty Sand – Function # 6

Green & Corey

SÐt bôi – Silt Clay – Function # 14

Green & Corey

§Êt bôi sÐt – Clay Silt – Function # 16

Fredlund & Xing

Embankment Dams Chapt 8

Seepage Analysis & Control

1987

Design Standard – Embankment Dams

Chapt 8 Seepage Analysis & Control -1987

C¸c hµm thÊm cho c¸t vµ sÐt

1.0E-181.0E-151.0E-121.0E-091.0E-061.0E-031.0E+00

§Êt kh«ng b·o hoµ

y

h u

u k

τ

tan ) (

' tan ) (

'

−

+

− +

=

) (

) (

2

1

w a

a

u u

d a

u d

w

v d u a

de= σ −

Bộ phần mềm của GEO - SLOPE International

Cấu trúc đĩa CD ROM, gồm 3 cụm

-2004 - V.6 - 16 ⇒ http://www.geo-slope.com

- SEEP/W - Phân tích thấm theo PTHH;

- SIGMA/W - Phân tích ứng suất - biến dạng theo PTHH;

- Quake/W – Phân tích động lực động đất theo PTHH

- SLOPE/W - Phân tích ổn định mái dốc theo PP CBGH;

- CTRAN/W - Phân tích vận chuyển vật ô nhiễm theo PTHH;

- TEMP/W - Phân tích địa nhiệt theo PTHH;

2 VADOSE/W – Phân tích dòng bốc hơi 2D

( 2D Evaporative Flux analysis)

3 Seep3D – Phân tích thấm 3 hướng theo

Các cải tiến chung của

GEO-SLOPE OFFICE V5 so với V4

• Thêm QUAKE/W – Phân tích động lực động đất theoPTHH

• Thêm Student Lisence cho cả 5 môđun, dùng trong

điều kiện hạn chế, nhưng gồm đủ các tính chất cần:

Có khoá: Profess Vers Không khoá: Student Lisence

Hiện nay đã dùng khoá USB.

• Còn lại, phần lớn cải tiến tập trung vào mặt tiện dùng,tiết kiệm thời gian, tăng tốc độ giải, giảm bộ nhớ, nâng cao độ chính xác, dễ phân biệt giữa các tầng đất bằng các đường đậm và linh hoạt về mặt thương mại

GEO-SLOPE Office Student Edition Software V.5

The Student Edition (SE) versions of the OEO-SLOPE Office software have been developed for two primary purposes:

1 To teach and educate university students about geotechnical numerical modelling.

2 To allow persons interested in acquiring the full-featured commercial software to analyze some problems and to generally learn about the software features and capabilities

In the 1970's I was a university professor teaching both graduate and undergraduate courses in civil and geotechnical engineering At that time I could only dream of teaching tools such as the GEO-SLOPE Student Edition software Now that it is available, I can readily imagine how effective and enjoyable it would be to have these software tools available for teaching geotechnical engineering principles and concepts With time, I am certain you will share my excitement about the new teaching and learning possibilities that come with having the Student Edition software.

John Krahn,

Ph.D., P.Eng

President & CEO GEO-SLOPE International Ltd

Calgary, Alberta, Canada

File Student (Acrobat Reader) trong CD-ROM

1 Nội dung: All Files gồm

• CTRANW: Workbook gồm 16 trang; 10 bài tập;

• QUAKEW: Workbook gồm 10 trang; 4 bài tập

• SEEPW: Workbook gồm 23 trang; 16 bài tập

• SIGMAw: Workbook gồm 20 trang; 17 bài tập

• SLOPEW: Workbook gồm 36 trang; 17 bài tập

• TEMPW: Workbook gồm 11 trang; 3 bài tập

• Lesson overview: Giới thiệu chung về bộ phần mềm này

• Student: File dùng để cài đặt phần mềm Student License

2 Trong mỗi phần mềm gồm 3 File nhánh:

• Chương 3 tương ứng của Manual - HD giải theo TL mặc định

• Workbooks giới thiệu chung các bài tập (Tổng cộng 67 bài)

• Các bài tập có thể chạy theo phần mềm Student License sau khi đã cài đặt

Tháng 5 - 2004, CT GEO-SLOPE ban hành GeoStudio 2004

- Version 6 - www.geo-slope.com/geostudio

Các cải tiến cụ thể của GEO-SLOPE OFFICE v 5

• Gồm 6 môđun: 5 môđun cũ được nâng cấp và thêm

một môđun mới QUAKEW;

• Có thể chạy trong M.Wins 95, 98, Me, NT, 2000, XP;

• Môđun SOLVE của SEEPW, SIGMAW, TEMPW và CTRAN sử dụng phương pháp lặp để giải hệ phương trình PTHH, trong đó các phần tử khác không của ma trận được lưu trữ dưới dạng băng⇒ tăng tốc độ giải;

• Sử dụng các số thực có số thập phân kép để nâng

cao tính chính xác của các kết quả

• Dùng hàm bậc thang cho các hàm biên để được

thuận tiện khi gặp dữ liệu tán xạ như số liệu mưa

hoặc dễ điều tiết các biến đổi đột ngột của điều kiệnbiên như tải trọng tác dụng thường gặp trong SIGMA;

• Dùng thêm hệ thống bảo vệ mới FLEXIM, điều đó cho

phép tăng các giải pháp về bản quyền, như có thể cho thuê bao trong các thời hạn khác nhau;

• Dùng lệnh Undo và Redo trong mô đun DEFINE để tiện hoàn tác hoặc sửa lại nội dung các lệnh;

• Hỗ trợ các file dạng DXF, Bitmap dùng làm các hình ảnh nền cho việc mô tả bài toán;

• Các file dữ liệu có thể được nén thành một file để giảm dung lượng cần lưu trữ bài toán;

• Các trợ giúp trực tuyến sử dụng dạng HTML;

• Kết hợp các mô đun DEFINE, SOLVE, CONTOUR trong cùng một cửa sổ để tiện cập nhật thông tin;

• Một số thay đổi khác: Dán các dữ liệu từ các ứng dụng Wins khác trực tiếp vào hộp thoại KeyIn Functions, nhiều thực đơn và hộp thoại được điều chỉnh cho dễ sử dụng, các lựa chọn hiển thị mới để biểu thị biên đậm giữa các vật liệu, thay đổi phạm vi trục đồ thị

• Tự động sinh lưới sau khi lập mô hình hình học, mặt

khác có thể kiểm soát được mật độ lưới;

• Cải tiến về bộ sách hướng dẫn sử dụng Tập sách

Một số ứng dụng công trình của CHĐKBH

• Trong thực tế xây dựng thường gặp đất KBH dùng

làm nền CT, vật liệu và môi trường XD:

• Trong bài toán thấm, nếu không xét tới ảnh hưởng

của áp lực nước lỗ rỗng âm, kết quả không phù hợp

thực tế (Design Standard Embankment Dams

-Chapt 8 - Seepage Analysis & Control-1987) (xem

minh hoạ sau);

• Trong các bài toán ổn định mái đất, nếu không xét tới

• Dựa vào lý thuyết CHĐKBH, có thể tìm biện pháp kếtcấu công trình sử lý trượt đất tại vùng núi sau các trậnmưa;

• Có thể dùng SIGMA/W, SEEP/W, SLOPE/W giải

quyết một số bài toán mà trước đây không làm được

1.5 1.0

Đập đất K

sat = 1x10 -4 m/sec

-4 -2

Mức đo áp cao

1.416

Pressure Load Anchor Load

Line Load

Không xét φ b - 1,416 Xét φ b - 1,438

Khi mức đo áp cao, không xét

lớn, nh−ng khi mức đo áp

thấp, sai khác về FS lớn

So sánh kết quả tính toán FS giữa đất bão

hoà và không bão hoà

Mức đo áp thấp

Không xét φ b - 1,577

Có xét φ b - 1,704

Đập San Fernando – Lưới PTHH Gia tốc ngang đỉnh đập

CV ngang tuyệt đối

đỉnh đập áp lực nước lỗ rỗng dư sau 15 giây

• Giữa tháng 5/97 hoàn thành, 18/5 tr−ợt qua

lớp đất yếu: đoạn dài → khoảng 120m, chiều rộng vết nứt đỉnh > 1m, đất chân đê phía

đồng nâng cao 2,50m trong đoạn dài vuông

góc với trục đê khoảng 10 - 15m

• Năm 1996, đê đ−ợc nâng cao, mở rộng:

∆H = 8,72m - 8,50m = 0,22m

∆B = 4m - 2m = 2m → mở rộng về phía sông

với m = 2

• Giữa tháng 5/97 hoàn thành, 18/5 tr−ợt qua

lớp đất yếu: đoạn dài → khoảng 120m, chiều

rộng vết nứt đỉnh > 1m, đất chân đê phía

đồng nâng cao 2,50m trong đoạn dài vuông

góc với trục đê khoảng 10 - 15m

Sơ đồ mặt cắt sau xử lý

Mét sè ¶nh chôp sù cè tr−ît

Mét sè ¶nh chôp sù cè tr−ît

Mét sè ¶nh chôp sù cè tr−ît

Mét sè ¶nh chôp sù cè tr−ît

0.900

0 00

0.662

DE LA GIANG Mat cat II - II Sau khi ton cao va mo rong 1996 Kiem tra on dinh mai phia song Phan mem su dung: SLOPE/W -SEEP/W V.5

PP tinh: BISHOP Ket qua tinh: kminmin=0,662

-1.30

Chi tieu co Ly - ( kN/m3) do kPa m/sec - 1b 18.5 12 15 1.33e-09

Mẫu đất lấy trong nền đê La Giang

Tầng đất yếu

B=2m 5 2

+8.71 L1=15m

+4.0 L2=8m

+2.5 m1=m2=2.5

6 1c

1a 2a

Mat cat II - II sau khi xu ly

Kiem tra on dinh mai phia dong

TH Lu khan cap

Phan mem su dung : SLOPE/W -SEEP/W V.5

PP: Bishop va GLE

Kminmin theo bishop = 1.792

Kminmin theo GLE = 1.786

Chi tieu co ly - Dat TL don vi Phi C K (kN/m3) Do kPa m/sec -

6 21.2 27 15 1.05e-07 1c 19.0 12 15 1.33e-09 1a 20.4 14 20 3.26e-09 2a 17.6 8 15 3.27e-09

2 16.3 5 6 5.40e-09

3 16.9 7 7 1.00e-07

4 20.4 14 20 1.00e-08 -

L3=15m +4.0

KÕt qu¶ kiÓm tra mÆt c¾t sau xö lý

1.304

DELA GIANG

Mat cat II-II - Sau khi xu ly

Kiem tra on dinh mai phia song

Phan mem: SLOPE/W -SEEP/W V.5

PP tinh : Bishop va GLE

Kminmin theo Bishop= 1.306

Kminmin theo GLE = 1.304

6

3 4

Bedrock

1a 1c

+4.0 L1=15m +2.50

m1=m2=2.5

+8.71 2

1 L2=8m

+1.0 +1.2

Chi tieu co ly - Dat TL don vi Phi C K ( KN/m3) Do kPa m/sec -

6 19.7 27 15 1.05e-07 1c 18.3 12 15 1.33e-09 1a 19.4 14 20 3.26e-09 2a 17.6 8 15 3.27e-09

2 16.3 5 6 5.40e-09

3 16.9 7 7 1.00e-07

4 20.4 14 20 1 00e-08 -

Kminmin theo Bishop = 1.645

Kminmin theo GLE = 1.642

+4.0

+2.50

+8.71 5 2

+4.0

3 1

MNTK : + 5.42

MNHL : +2.00

m=2.5

L3=15m L1=15m

L2=8m

Chi tieu co ly - Dat TL don vi Phi C K (kN/m3) Do kPa m/sec - 1c 19.0 12 15 1.33e-09 1a 20.4 14 20 3.26e-09 2a 17.6 8 15 3.27e-09

3 16.9 7 7 1.00e-07

4 20.4 14 20 1.00e-08 -

Thi c«ng xö lý nÒn b»ng giÕng c¸t

Thi c«ng xö lý nÒn b»ng giÕng c¸t

Kiểm tra chất l−ợng đầm đất

Bốn MH địa cơ học thường gặp

Bài học KN Cải tạo và quản lý đê theo MH địa cơ học

1 Mái thoai có cơ và /hoặc phan

áp ở hạ lưu 2.Thoát nước trong nền đê

1 ổn định cường độ tổng thể thân và nền đê

2 Kiểm tra lún quá mức

MH 4

1.Cơ thoát nước ở hạ lưu

2 Giếng giam áp ở hạ lưu

3 Làm mái thoai hoặc hệ thống thoát nước dọc chân đê hạ lưu

4 Khi cần phai kết hợp ca xử lý nền

1 ổn định thấm ( tổng thể và cục bộ chỗ cửa ra ) nền đê;

2 ổn định cường độ mái đê;

3 ổn định cường độ tổng thể thân và nền đê ( nếu nền đê là

đất yếu )

MH 2,3

1.Giam độ dốc mái đê 2.Hệ thống thoát nước dọc theo chân đê hạ lưu

3.Trồng cỏ mái đê

4 Khi cần phai kết hợp ca xử lý nền

1.ổn định cường độ mái đê 2.ổn định thấm thân đê 3.ổn định cường độ tổng thể thân và nền đê (nếu nền đê là

đất yếu )

MH 1

Biện pháp xử lý Yêu cầu kiểm toán chủ yếu

Mô hinh

• Tận dụng các phần mềm Địa kỹ thuật để đánh giá nhanh chóng điều kiện làm việc của thân và nền đê

• Phần mềm GEO-SLOPE OFFICE V.5 rất đáng tin cậy dùng cho ngành Thuỷ lợi

Bài học KN

Cải tạo và quản lý đê theo MH địa cơ học

69